本发明涉及隧道及地下工程领域，特别涉及高压水射流破岩技术在tbm隧道施工领域的应用，更具体地说它是一种基于锥形刀具拓宽水切槽上宽下窄结构破岩方法。
背景技术：
根据cem(cavityexpansionmodel)理论(空腔膨胀模型)，岩石材料在上部刚性刀具的作用下，刚性刀具压缩造成的岩石材料和损伤区域的非弹性体积变化，都可以完全被周围完好材料的径向弹性膨胀所容纳。该模型假定压头下方存在球形或圆柱形对称空间，所有的场量都不会沿着圆周方向变化。如图3-图7中cem模型概念图所示，刚性压头下方岩石试样的空间根据其应力及变形特征可以被划分为核心区、塑性区和弹性区。
对于切槽后的cem模型，岩石在刚性刀具(滚刀)的作用下，随着刀具法向作用力的不断增大以及压入深度的逐渐增加，岩石材料内部核心区、塑性区和弹性区的范围不断扩张，压头下方的岩石塑性区边界范围发育延伸到切槽位置时，就会将切割出的槽体挤压变形，使槽体的形状呈现上边变形大—槽体变窄，下边变形小——槽体宽度几乎不变的状态。在刀具继续作用下，等宽度槽体的上部切槽会完全闭合，使切槽分割的岩体与原有岩体形成整体，抑制了塑性区的进一步发展，不利于岩石的破碎。
对比机械滚刀结合高压水射流的联合破岩方式，该类型破岩方式首先通过高压水射流在岩石上形成一定深度d1的槽体，再有机械滚刀滚压两相邻槽体隔绝形成的局部块体。该类联合破岩的局限性在于，对于实际工程，往往需要高压水射流装置以较快的行进速度对岩石进行切削，然而，在较高行进速度下，即使高压水射流的射流压力很大，依然难以形成较深的切削深度，如图3-图7中单独水射流切槽配合机械滚刀破岩所示：较高行进速度下，水射流切槽深度较浅，机械滚刀在岩石块体上形成的裂纹延伸长度越过了切槽的最深处，切槽行为不能够完全利用机械滚刀所形成的裂纹，造成机械能的浪费，进行不能致裂该部位的局部岩石块体。
因此，现亟需开发一种实现高效率、低能耗破岩的破岩方法。
技术实现要素：
本发明的目的是为了一种基于锥形刀具拓宽水切槽上宽下窄结构破岩方法，经过机械刮刀在水射流切槽之后的拓宽加深，即通过水射流 锥形刀具切槽配合机械滚刀破岩，增加后的切槽深度为d2，上部切槽宽度为b2，该深度可以完全利用机械滚刀在岩石块体中形成的裂纹，能够较好的对该部位岩石块体进行致裂破碎，从而实现切多深、破多深，同时能够很好的杜绝切槽分隔岩体过早闭合影响破岩效率的问题，更加高效利用切削岩石的滚刀滚压机械能，实现高效率、低能耗破岩。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于锥形刀具拓宽水切槽上宽下窄结构破岩方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：将tbm刀盘对准岩石切槽位置；
步骤二：启动tbm刀盘，使tbm刀盘向前行进一个行程；
具体过程为：tbm刀盘上安装的高压水射流结构和tbm刀盘由旋转带动旋转；
tbm刀盘在行进方向破岩时，首先，高压水射流结构随tbm刀盘转动方向转动时，高压水射流至相邻二个机械滚刀结构之间的岩石，在岩石上形成水力切槽；
紧接着，锥形刀具结构伸入水力切槽、对水力切槽进行加深拓宽；
最后，机械滚刀结构在水力切槽两侧的岩石上方进行滚压切削、形成槽体；
步骤三：重复步骤二，tbm刀盘开始下一个行程作业，直至岩石切槽完成。
在上述技术方案中，所述联合破岩tbm刀盘包括机械滚刀结构、高压水射流结构、锥形刀具结构；机械滚刀结构、高压水射流结构和锥形刀具结构均设置在tbm刀盘上。
在上述技术方案中，机械滚刀结构、高压水射流结构、刮刀结构在tbm刀盘上均呈分区布置；
机械滚刀结构、刮刀结构和高压水射流结构组成一个工作组；
联合破岩tbm刀盘在不同的刀盘径向上沿周向布置多个所述工作组。
在上述技术方案中，所述锥形刀具结构位于相邻设置的所述机械滚刀结构与高压水射流结构之间；
在tbm刀盘行进方向，所述高压水射流结构设置在锥形刀具结构前方；所述锥形刀具结构设置在机械滚刀结构前方。
在上述技术方案中，所述锥形刀具结构包括锥形刀具和锥形刀具模块；
所述锥形刀具模块安装在tbm刀盘上，所述锥形刀具安装在所述锥形刀具模块上。
在上述技术方案中，所述锥形刀具由刚性材料制成；
所述锥形刀具包括锥形刀刃和刀柄；所述锥形刀刃通过刀柄安装在所述锥形刀具模块上；
所述锥形刀刃呈下窄上宽的锥形结构。
在上述技术方案中，所述锥形刀具由pdc材料制成；
所述锥形刀刃的高度大于水力切槽的深度、上端宽度大于水力切槽上部的宽度、且下端宽度小于水力切槽上部的宽度；
当所述高压水射流切割后的水力切槽深度为d1，经所述锥形刀具加深后的槽体深度为d2；所述水力切槽上部宽度为b1，经所述锥形刀具拓宽后的上部槽体宽度为b2时；槽体与水力切槽的深度差值为δh＝d2-d1，槽体与水力切槽的宽度差值为δw＝b2-b1；其中δh和δw大于0。
在上述技术方案中，在步骤二中，经高压水射流结构、锥形刀具结构先后处理后的岩石上有多条深度为d2的槽体，槽体的上部宽度与为b2、下部宽度逐渐减小为0；
相邻二个槽体之间形成三个自由面局部岩石块体。
在上述技术方案中，所述锥形刀具有一个。
在上述技术方案中，所述机械滚刀结构有一个或多个；
当所述机械滚刀结构有多个时，多个所述机械滚刀结构组合呈一个整体后安装在所述tbm刀盘上、且位于相邻设置的所述高压水射流结构与刮刀结构之间。
本发明具有如下优点：
(1)本发明创新出一种新的锥形尖韧刀具拓宽高压水射流切槽形成上宽下窄切槽的破岩方式，利用锥形尖韧刀具与高压水射流组合布置，实现高压水射流切槽的底部加深和上部拓宽，有利于突破高压水射流高速运动条件下切割岩石困难、切槽较浅以及上部岩石块体受压变形大的问题，能够提高高压水射流应用于大型工程破岩机械的可行性，进而提高岩石隧道掘进领域的破岩效率；
(2)本发明提供的一种基于锥形刀具拓宽水切槽上宽下窄结构破岩方法，所述高压水射流装置可以喷射高压水射流，用以在岩石块体上切割出线性的槽体；所述锥形刀具为刚性材料，安装在所述高压水射流装置的后方，用以实现底部加深和上部拓宽所述高压水射流装置在岩石块体上切出的线性槽体；
(3)本发明为经过机械刮刀在水射流切槽之后的拓宽加深，即通过水射流 锥形刀具切槽配合机械滚刀破岩，增加后的切槽深度为d2，上部切槽宽度为b2，该深度可以完全利用机械滚刀在岩石块体中形成的裂纹，能够较好的对该部位岩石块体进行致裂破碎，从而实现切多深、破多深，同时能够很好的杜绝切槽分隔岩体过早闭合影响破岩效率的问题，更加高效利用切削岩石的滚刀滚压机械能，实现高效率、低能耗破岩；
(4)有别于无切槽的破岩形式，本发明利用机械滚刀 高压水射流 机械锥形刀具的联合破岩作业形式，一方面相比传统的机械滚刀破碎岩石的工艺方法，在隧道掘进为代表的岩石破碎领域，具有效率高、能耗低、磨损小以及改善工作面作业环境的优点；
(5)另一方面本发明利用锥形刀具安装于滚刀后方对于岩石的切削槽体的底部加深和上部拓宽作用，能够很好地克服高压水射流切削岩石在高速移动切削状态下，对于岩石(特别是硬岩和极硬岩)的切槽深度较浅的工程难题，有利于机械 水力联合破岩技术更好的实现工程上的推广应用。
附图说明
图1为本发明中的高压水射流结构、锥形刀具结构先后切槽的工作结构示意图。
图2为本发明中的机械滚刀结构滚压破岩的工作结构示意图。
图3为cem模型概念图。
图4为切槽后、变形拓展前cem模型概念图。
图5为切槽后、变形拓展后cem模型概念图。
图6为切槽后cem模型塑性区发育变形图一。
图7为切槽后cem模型塑性区发育变形图二。
图8为本发明中的tbm刀盘的结构示意图。
图9为图8的切削工作痕迹示意图。
图10为本发明采用的tbm装置的结构示意图。
图1、图2中的箭头均表示tbm刀盘行进方向。
图3、图4、图5、图6、图7中的a表示核心区、b表示塑性区、c表示弹性区；f表示力的作用方向。
图8、图9中，q2表示tbm刀盘旋转方向。
图8中的z表示工作组。
图10中，a表示旋转驱动；c表示高压水射流结构的喷嘴；d表示水刀旋转调节部；e表示水仓；f表示水刀外接水管道；g表示高压水管道；q表示水力切槽。
图中1-槽体，2-机械滚刀结构，3-高压水射流结构，4-tbm刀盘，5-岩石，6-水力切槽，7-锥形刀具结构，7.1-锥形刀具，7.11-锥形刀刃，7.12-刀柄。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：一种基于锥形刀具拓宽水切槽上宽下窄结构破岩方法，包括如下步骤，
步骤一：将tbm刀盘4对准岩石切槽位置；
步骤二：启动tbm刀盘4，使tbm刀盘4向前行进一个行程；
具体过程为：tbm刀盘4上安装的高压水射流结构3和tbm刀盘4由旋转驱动5驱动旋转；
水刀外接水管道供水给高压水射流结构3；
tbm刀盘4在行进方向破岩时，首先，高压水射流结构3随tbm刀盘4转动方向转动时，高压水射流至相邻二个机械滚刀结构2之间的岩石，在岩石上形成水力切槽6；
紧接着，锥形刀具结构7伸入水力切槽6、对水力切槽6进行加深拓宽；
最后，机械滚刀结构2在水力切槽6两侧的岩石上方进行滚压切削、形成槽体1；经高压水射流结构3和锥形刀具结构7做用后所形成的局部岩石块体，利用机械滚刀的滚压切削作用将其破碎，进而形成岩石的高效破碎；
步骤三：重复步骤二，tbm刀盘4开始下一个行程作业，直至岩石切槽完成(如图1、图2、图8、图9所示)。
进一步地，所述联合破岩tbm刀盘4包括机械滚刀结构2、高压水射流结构3、锥形刀具结构7；机械滚刀结构2、高压水射流结构3和锥形刀具结构7均设置在tbm刀盘4上。
进一步地，机械滚刀结构2、高压水射流结构3、刮刀结构7在tbm刀盘4上均呈分区布置；不同于脉冲射流的前后刀盘的布置形式不同，机械滚刀结构2、高压水射流结构3、刮刀结构7在tbm刀盘4的分区不同；
每个分区上的所述机械滚刀结构2有多个，多个所述机械滚刀结构2呈间隔设置；机械滚刀结构2用于滚压水力切槽破岩；
每个分区上的所述高压水射流结构3有多个，多个所述高压水射流结构3呈间隔设置；高压水射流结构用于喷射岩体、形成水力切槽；
每个分区上的所述锥形刀具结构7有多个；多个所述刮刀结构7呈间隔设置(如图8所示)；
机械滚刀结构2、高压水射流结构3和刮刀结构7组成一个工作组；
联合破岩tbm刀盘4上布置多个所述工作组。
进一步地，所述锥形刀具结构7位于相邻设置的所述机械滚刀结构2与高压水射流结构3之间；
在tbm刀盘4行进方向，所述高压水射流结构3设置在锥形刀具结构7前方；所述锥形刀具结构7设置在机械滚刀结构2前方(如图8所示)。
进一步地，所述锥形刀具结构7包括锥形刀具7.1和锥形刀具模块7.2；
所述锥形刀具模块7.2安装在tbm刀盘4上，所述锥形刀具7.1安装在所述锥形刀具模块7.2上(如图1所示)。
进一步地，所述锥形刀具7.1由刚性材料制成；
所述锥形刀具7.1包括锥形刀刃7.11和刀柄7.12；所述锥形刀刃7.11通过刀柄7.12安装在所述锥形刀具模块7.2上；
所述锥形刀刃7.11呈下窄上宽的锥形结构；所述刀柄7.12的尺寸与锥形刀刃7.11上端的尺寸相等(如图1所示)；锥形刀具为下窄上宽的刚性刀具，所述锥形刀具的尺寸可以与所述高压水射流装置喷射水射流水珠的直径的切削宽度匹配，所述锥形刀具的宽度大于所述水射流切槽的上部宽度相等，用以拓宽水射流切槽形成的上部槽体，根据射流直径的变化进行相应锥形刀具尺寸的安装。
进一步地，所述锥形刀具7.1由pdc材料制成；
所述锥形刀刃7.11的高度大于水力切槽6的深度、上端宽度大于水力切槽6上部的宽度、且下端宽度小于水力切槽6上部的宽度；
当所述高压水射流切割后的水力切槽6深度为d1，经所述锥形刀具加深后的槽体1深度为d2；所述水力切槽6上部宽度为b1，经所述锥形刀具拓宽后的上部槽体宽度为b2时；经高压水射流结构3、锥形刀具结构7依次先后切割过后的槽体1与水力切槽6的深度差值为δh＝d2-d1，经过两种切削工具依次切割过后的槽体1与水力切槽6的宽度差值为δw＝b2-b1；其中δh和δw大于0(如图1所示)；锥形刀具7.1以一定角度进入水力切槽6，锥形刀具7.1进入水力切槽6深度越深，锥形刀具7.1上部对水力切槽6的加宽作用越明显。
进一步地，在步骤二中，经高压水射流结构3、锥形刀具结构7先后处理后的岩石上有多条深度为d2的槽体1，槽体1的上部宽度与为b2、下部宽度逐渐减小为0；
相邻二个槽体1之间形成三个自由面(三个自由面为上面、切槽两侧面)局部岩石块体。
进一步地，所述锥形刀具7.1有一个(如图1、图8所示)；一个高压水射流结构3后面设置一把加深拓宽的锥形刮刀；锥形刮刀为下窄上宽的刚性刀具，锥形刮刀上部的宽部用于拓宽水射流切槽上半部分的宽度、下部的窄部用于加深水力切槽6。
进一步地，所述机械滚刀结构2有一个或多个；
当所述机械滚刀结构2有多个时，多个所述机械滚刀结构2组合呈一个整体后安装在所述tbm刀盘4上、且位于相邻设置的所述高压水射流结构3与刮刀结构7之间。
为了能够更加清楚的说明本发明所述的基于锥形刀具拓宽水切槽上宽下窄结构破岩方法与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：
由上表可知，本发明所述的基于锥形刀具拓宽水切槽上宽下窄结构破岩方法与现有技术相比，采用高压水射流装置喷射切割形成水力切槽、再采用锥形刀具对水力切槽底部加深和上部拓宽，适用于高压水射流高速运动条件下切割岩石困难、切槽较浅以及上部岩石块体受压变形大的工况，破岩效率高。
其它未说明的部分均属于现有技术。
1.一种基于锥形刀具水切槽上宽下窄结构破岩方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：将tbm刀盘(4)对准岩石切槽位置；
步骤二：启动tbm刀盘(4)，使tbm刀盘(4)向前行进一个行程；
具体过程为：tbm刀盘(4)上安装的高压水射流结构(3)和tbm刀盘(4)由旋转驱动带动旋转；
tbm刀盘(4)在行进方向破岩时，首先，高压水射流结构(3)随tbm刀盘(4)转动方向转动时，高压水射流至相邻二个机械滚刀结构(2)之间的岩石，在岩石上形成水力切槽(6)；
紧接着，锥形刀具结构(7)伸入水力切槽(6)、对水力切槽(6)进行加深拓宽；
最后，机械滚刀结构(2)在水力切槽(6)两侧的岩石上方进行滚压切削、形成槽体(1)；
步骤三：重复步骤二，tbm刀盘(4)开始下一个行程作业，直至岩石切槽完成。
2.根据权利要求1所述的基于锥形刀具水切槽上宽下窄结构破岩方法，其特征在于：所述联合破岩tbm刀盘(4)包括机械滚刀结构(2)、高压水射流结构(3)和锥形刀具结构(7)；机械滚刀结构(2)、高压水射流结构(3)和锥形刀具结构(7)均设置在tbm刀盘(4)上。
3.根据权利要求2所述的基于锥形刀具水切槽上宽下窄结构破岩方法，其特征在于：机械滚刀结构(2)、高压水射流结构(3)、刮刀结构(7)在tbm刀盘(4)上均呈分区布置；
机械滚刀结构(2)、刮刀结构(7)和高压水射流结构(3)组成一个工作组；
联合破岩tbm刀盘(4)在不同的刀盘径向上沿周向布置多个所述工作组。
4.根据权利要求3所述的基于锥形刀具水切槽上宽下窄结构破岩方法，其特征在于：所述锥形刀具结构(7)位于相邻设置的所述机械滚刀结构(2)与高压水射流结构(3)之间；
在tbm刀盘(4)行进方向，所述高压水射流结构(3)设置在锥形刀具结构(7)前方；所述锥形刀具结构(7)设置在机械滚刀结构(2)前方。
5.根据权利要求4所述的基于锥形刀具水切槽上宽下窄结构破岩方法，其特征在于：所述锥形刀具结构(7)包括锥形刀具(7.1)和锥形刀具模块；
所述锥形刀具模块安装在tbm刀盘(4)上，所述锥形刀具(7.1)安装在所述锥形刀具模块上。
6.根据权利要求5所述的基于锥形刀具水切槽上宽下窄结构破岩方法，其特征在于：所述锥形刀具(7.1)由刚性材料制成；
所述锥形刀具(7.1)包括锥形刀刃(7.11)和刀柄(7.12)；所述锥形刀刃(7.11)通过刀柄(7.12)安装在所述锥形刀具模块(7.2)上；
所述锥形刀刃(7.11)呈下窄上宽的锥形结构。
7.根据权利要求6所述的基于锥形刀具水切槽上宽下窄结构破岩方法，其特征在于：所述锥形刀具(7.1)由pdc材料制成；
所述锥形刀刃(7.11)的高度大于水力切槽(6)的深度、上端宽度大于水力切槽(6)上部的宽度、且下端宽度小于水力切槽(6)上部的宽度。
8.根据权利要求7所述的基于锥形刀具水切槽上宽下窄结构破岩方法，其特征在于：在步骤二中，经高压水射流结构(3)、锥形刀具结构(7)先后处理后的岩石上有多条槽体(1)，槽体(1)的上部宽度大于下部宽度，其中，下部宽度逐渐减小为0；
相邻二个槽体(1)之间形成三个自由面局部岩石块体。
9.根据权利要求8所述的基于锥形刀具水切槽上宽下窄结构破岩方法，其特征在于：所述锥形刀具(7.1)有一个。
10.根据权利要求8或9所述的基于锥形刀具水切槽上宽下窄结构破岩方法，其特征在于：所述机械滚刀结构(2)有一个或多个；
当所述机械滚刀结构(2)有多个时，多个所述机械滚刀结构(2)组合呈一个整体后安装在所述tbm刀盘(4)上、且位于相邻设置的所述高压水射流结构(3)与刮刀结构(7)之间。
技术总结